CN108430559B

CN108430559B - 用于自动控制吸入氧输送的方法、设备和系统

Info

Publication number: CN108430559B
Application number: CN201680078479.8A
Authority: CN
Inventors: T·J·加莱; P·A·达格维尔
Original assignee: University of Tasmania
Current assignee: University of Tasmania
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2036-11-10
Also published as: RU2018121298A; RU2018121298A3; EP3374014B1; RU2728185C2; WO2017079798A1; US11135384B2; AU2016354671B2; CA3004643A1; ES2933699T3; EP3374014A1; CA3004643C; CN108430559A; BR112018009416A2; NZ742586A; JP2019500927A; AU2016354671A1; US20180353718A1; JP6963819B2; EP3374014A4

Abstract

这里提供了一种用于自动控制吸入氧输送的方法，包括：接收表示针对患者的多个输入氧饱和度值即多个输入SpO₂值的信号；基于所述输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成控制值；以及基于所述控制值和参考吸入氧浓度值即rFiO₂值来生成输出吸入氧浓度值即输出FiO₂值；其中，所述控制值包括：基于所述输入SpO₂值、所述目标SpO₂值和即刻增益系数而生成的即刻控制值；基于所述输入SpO₂值、所述目标SpO₂值和累积增益系数而生成的累积控制值；以及基于所述输入SpO₂值、所述目标SpO₂值和预测增益系数而生成的预测控制值；其中，基于所述rFiO₂值来确定所述即刻增益系数；以及基于动脉氧分压即PaO₂和SpO₂之间的预定非线性关系来向所述累积控制值应用非线性补偿加权。

Description

用于自动控制吸入氧输送的方法、设备和系统

技术领域

本发明总体涉及用于自动控制吸入氧输送的方法、设备和系统，例如用于自动控制吸入氧浓度以使氧饱和度维持在目标范围内的方法、设备和系统。

背景技术

补氧治疗可以在慢性和急性患者护理中用于各种目的。例如，补氧治疗在具有呼吸功能障碍的新生儿的管理方面起着关键作用。对于早产婴儿，研究表面，持续低氧和死亡率增加之间存在关联。此外，还观察到过量的氧输送与不良预后、特别是早产儿的视网膜病变相关联。因此，需要不断调整吸入氧分数(FiO₂)以使氧饱和度(SpO₂)维持在可接受的目标温度内，从而避免氧合的极端情况。SpO₂对于FiO₂的变化的反应称为“系统增益”，其中“系统”是患者。

当前，打破针对早产婴儿的氧输送的平衡主要由床边看护者掌握，其中这些床边看护者手动调整FiO₂以将氧饱和度SpO₂维持在目标范围内。遗憾的是，FiO₂的这种手动控制是不精确的，使得在大量时间内婴儿的SpO₂处于目标范围以外。

与手动控制相比，FiO₂的自动调整可以提供更多的处于目标范围内的时间，并且大大降低医源性高氧和重度低氧的比例。然而，在应用针对具有肺功能障碍的新生儿的氧输送的自动化方面存在重大的挑战。第一个挑战是提高SpO₂对准的效果并避免低氧和高氧的时间和发作。氧输送的自动控制的第二个挑战在于，氧合的主要决定因素与早产婴儿的无穷多样性混合，并对 FiO₂的变化作出根本不同的反应，因此针对给定SpO₂扰动具有统一且不变的反应的自动控制器可能无法满足所有个体的需求。第三个挑战是系统增益可能随时间而改变。

期望解决或改进与现有技术相关联的一个或多个缺点或限制、或者至少提供有用的替代方案。

本说明书中对任何现有公布(或从中得到的信息)或已知的任何事项的参考都不被或者不应被视为做出如下的承认或许可或任何形式的建议，即：现有公布(或从中得到的信息)或已知的事项在本说明书所尝试涉及的领域形成公知常识的一部分。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种用于自动控制吸入氧输送的方法，包括：

接收表示针对患者的多个输入氧饱和度值即多个输入SpO₂值的信号；

基于所述输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成控制值；以及

基于所述控制值和参考吸入氧浓度值即rFiO₂值来生成输出吸入氧浓度值即输出FiO₂值；

其中，所述控制值包括：

基于所述输入SpO₂值、所述目标SpO₂值和即刻增益系数而生成的即刻控制值；

基于所述输入SpO₂值、所述目标SpO₂值和累积增益系数而生成的累积控制值；以及

基于所述输入SpO₂值、所述目标SpO₂值和预测增益系数而生成的预测控制值；

基于所述rFiO₂值来确定所述即刻控制值；以及

基于动脉氧分压即PaO₂和SpO₂之间的预定非线性关系来向所述累积控制值应用非线性补偿加权。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于自动控制吸入氧输送的设备，包括：

输入单元，用于接收表示针对患者的多个输入氧饱和度值即多个输入 SpO₂值的信号；

存储器，用于记录所接收到的输入SpO₂值；

控制器，用于基于所述输入SpO₂值来确定输出吸入氧浓度值即输出 FiO₂值；以及

输出单元，用于输出所确定的输出FiO₂值；

其中，所述控制器用于进行：

基于所述输入SpO₂值和所述目标SpO₂值来生成控制值；以及

其中，所述控制值包括：

基于所述rFiO₂值来确定所述即刻控制值；以及

根据本发明的另一方面，提供了一种用于自动控制吸入氧输送的系统，包括：

一个或多个氧饱和度监测装置、以及一个或多个吸入氧控制装置；

控制装置；以及

网络，用于实现所述一个或多个氧饱和度监测装置和所述控制装置之间的通信、以及所述一个或多个吸入氧控制装置和所述控制装置之间的通信，

其中，所述控制装置通过以下操作来控制吸入氧输送：

通过所述网络从所述一个或多个氧饱和度监测装置中的各氧饱和度监测装置接收表示针对患者的多个输入氧饱和度值即多个输入SpO₂值的信号；

基于所述输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成控制值；

通过所述网络将所确定的输出FiO₂值发送至相应的吸入氧控制装置；

其中，所述控制值包括：

基于所述rFiO₂值来确定所述即刻控制值；以及

基于所述输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成控制值；以及

其中，所述控制值包括：

基于所述输入SpO₂值、所述目标SpO₂值和预测增益系数而生成的预测控制值。

附图说明

以下参考附图仅通过示例的方式来描述本发明的一些实施例，在附图中：

图1是吸入氧输送系统的框图；

图2是吸入氧输送系统中的组件的框图；

图3是描绘了生成PID项、即生成比例项、积分项和微分项的处理的流程图；

图4是描绘了基于性能评价结果来修改K_p的处理的流程图；

图5是描绘了修改rFiO₂的值的处理的流程图；

图6是描绘了确定灌注指数值的处理的流程图；

图7是描绘了分层SpO₂验证过程的处理的流程图；

图8是描绘了基于SpO₂的有效性来确定输出FiO₂值的处理的流程图；

图9是描绘了手动模式和自动控制模式之间的切换处理的流程图；

图10是描绘了控制和重置警报的处理的流程图；

图11是氧输送系统设备的用户界面的图；

图12是描绘了用于自动控制吸入氧输送的方法的一般控制过程的流程图；

图13是描绘了处理输入的处理的流程图；

图14是描绘了读取输入的处理的流程图；

图15是描绘了验证输入的处理的流程图；

图16是描绘了验证输入界限的处理的流程图；

图17是描绘了自动控制的处理的流程图；

图18是描绘了定期自适应处理的流程图；

图19是PaO₂误差和单位SpO₂误差之间的关系的图；

图20是第二典型实验中所使用的吸入氧输送系统的框图；

图21的曲线图A和B是第二典型实验中所记录的、在手动和自动控制期间来自同一婴儿的两小时记录的图；

图22是根据第二典型实验的结果的池化SpO₂数据的频率直方图的图；以及

图23是根据第二典型实验的结果的、用于将最佳手动控制时期与自动控制进行比较的图。

具体实施方式

这里描述了吸入氧输送系统100，其执行自动控制针对患者(例如，人类婴儿)的吸入氧输送的方法。

与预先存在的系统和方法相比，本文所述的系统(和方法)可以提供一个或多个优点。第一，所述系统可以高效地对准期望SpO₂范围并且避免氧合的极端情况。第二，所述系统可以对例如由于V/Q比率的变化和肺内分流而引起的SpO₂偏差快速地作出响应。第三，所述系统可以补偿PaO₂-SpO₂关系的非线性度(其中PaO₂意指动脉氧分压——例如，针对S形曲线的线性部分上的 SpO₂的每1％阶段变化，PaO₂仅变化1～2mm Hg，但是进一步朝向渐近线PaO₂变化大于20mm Hg)。第四，所述系统可以针对不同的个体作出不同的响应，以对应于不同个体的FiO₂-SpO₂曲线中的偏移混合(其中向右偏移与减少通气 -灌注(V/Q)比率相对应)以及分流(不在肺内向血液添加任何氧的情况下泵入人体的血液的比例或分数)，补偿个体针对FiO₂调整的可变SpO₂响应。第五，所述系统可以基于性能度量来调整其增益。

如图1所示，系统100包括控制设备10、血氧计20和呼吸支持装置30。

控制设备10被配置用于自动控制吸入氧输送。

血氧计20测量患者40的动脉氧饱和度(SpO₂)，并且将表示SpO₂值的输出信号发送至控制设备10。从控制设备10的角度来看，血氧计20的输出信号所表示的SpO₂值还被称为“输入SpO₂值”。

血氧计20可以具有模拟或数字的数据输出。

基于来自血氧计20的输入SpO₂值，控制设备10确定输出吸入氧浓度 (FiO₂)值，并且输出表示所确定的输出FiO₂值的FiO₂信号。

来自控制设备10的输出FiO₂信号被发送至呼吸支持装置30。呼吸支持装置30是能够对FiO₂输入作出响应的系统，即，呼吸支持系统可以接收并执行期望的FiO₂值。呼吸支持装置30可以采用如下形式：空气-氧混合器、机械通气机、持续气道正压(CPAP)驱动器、或者高流量鼻插管支持或低流量氧输送所用的流量生成器。

呼吸支持装置30将混合气体(具有确定的FiO₂的分数吸入氧)输送至患者 40。吸入氧输送系统100还可以包括辅助患者监测系统50和呼吸回路监测系统60。

辅助患者监测系统50监测患者40并且输出表示患者状况的信号。辅助患者监测系统50可以包括采用心肺监测器或呼吸监测器的形式的监测装置。

呼吸回路监测系统60监测呼吸支持装置30的输出，即要被输送至患者的吸入氧分数。其输出表示监测结果的信号。呼吸回路监测系统60可以包括采用氧分析器的形式的装置，并且附加地包括压力换能器。

来自辅助患者监测系统50和呼吸回路监测系统60的输出被发送至控制设备10。控制设备10可以基于输入SpO₂以及从辅助患者监测系统50和呼吸回路监测系统60发送来的信号来确定输出FiO₂值。

如图2所示，控制设备10可以是独立装置。控制设备10可以包括：控制器11，其基于输入SpO₂值来确定输出FiO₂值；以及输入/输出接口12，其接收表示输入SpO₂值的信号并且输出表示所确定的输出FiO₂值的信号。输入/输出接口12还可以接收来自辅助患者监测系统50和/或呼吸回路监测系统60的输入。

控制器11采用电子控制设备的形式，其中该电子控制设备包括用于进行或执行这里所述的方法的步骤的一个或多个数字微控制器或者微处理器。控制器11可以包括被配置为进行方法步骤的一个或多个专用集成电路和/或现场可编程门阵列。

控制设备10还可以包括用于记录所接收到的输入SpO₂值的存储器13。存储器13可以储存用于机器可读指令，所述机器可读指令定义这里所述的方法步骤、并且由控制器11读取并执行以进行这些方法步骤中的一个或多个。

控制设备10还可以包括用户界面显示器14，其中该用户界面显示器14显示用于向用户(例如，床边看护者)示出各种信息的用户界面并且接收用户通过用户界面所输入的指令。所接收到的用户输入被发送至控制器11。

控制设备诶10还可以包括数据获取装置(DAQ)15，其中该DAQ装置获取发送自系统100的其它组件的信号/数据。

血氧计20可以包括脉搏血氧计21。脉搏血氧计21测量患者40的SpO₂，并且将表示SpO₂值的输出信号发送至控制设备10。脉搏血氧计21还可以测量： (1)灌注指数，即血氧计波形脉动性的度量，其低值可能与伪SpO₂值相关联；以及(2)SpO₂体积描记(“Pleth”)波形。表示灌注指数的输出信号和表示SpO₂体积描记波形的输出信号被从脉搏血氧计21发送至控制设备10。脉搏血氧计 21还可以测量根据SpO₂体积描记波形推导出的心率(HR_pleth)并将其发送至控制设备10。

呼吸支持装置30可以包括空气-氧混合器31。表示所确定的输出FiO₂值的信号可以从控制设备10路由至定制安装在空气-氧混合器31上的伺服马达 32，其中该伺服马达32使得能够经由环状齿轮机构来使混合器FiO₂选择拨盘自动旋转。伺服马达32和齿轮系统可以具有足够的转矩和精度，以使得能够准确且重复地进行对FiO₂的小调整(例如，最小值±0.5％)。伺服马达32还可以具有低保持转矩，使得仍然可以手动转动混合器拨盘；这种手动干预可以由位置传感器检测并且导致切换为手动模式，在所述手动模式下FiO₂不再处于自动控制。

在FiO₂的自动控制开始时，可以检查伺服马达校准并在必要的情况下进行改变。在必要的情况下，还可以在长时间使用期间定期地检查和/或改变伺服马达校准。

控制设备10使用来自FiO₂选择器拨盘的位置的伺服马达32的反馈信号 (伺服FiO₂)，可以确认由伺服马达32正确地执行输出FiO₂值的改变。

如图2所示，辅助患者监测系统50可以包括呼吸监测器51和心肺监测器 52。呼吸监测器51监测患者40的呼吸，并输出表示患者40的呼吸率的信号。心肺监测器52监测患者40的心电图(ECG)，并输出表示从心电监测推导出的患者40的心率(HR_ecg)的信号。来自呼吸监测器51和心肺监测器52的输出被发送至控制设备10。

呼吸回路监测系统60可以包括氧分析器61和压力换能器62。氧分析器61 监测空气-氧混合器31的输出(即，要被输送至患者40的混合气体)，并且将表示测得的FiO₂的信号输出至控制设备10。压力换能器62对CPAP回路的吸气支路中的压力进行换能，并将表示CPAP回路压力的信号输出至控制设备10。

对于通过自动空气-氧混合器31来正确执行发送自控制设备10的输出 FiO₂值的改变的确认还可以基于使用氧分析器61对来自空气-氧混合器31的输出FiO₂的测量。来自氧分析器61的信息(测得的FiO₂)可以从模拟信号被数字化，并且还可以以选择的流动-时间延迟(可以是5秒或任何其它合适值，并且可以在系统设置时选择或确定)进行偏移，以补偿混合器下游气体流动和平衡的时间。

基于来自血氧计20、辅助患者监测系统50和吸入氧监测系统60的这些输入信号，控制设备10确定输出FiO₂值。

来自血氧计20、辅助患者监测系统50和呼吸回路监测系统60的除输入 SpO2以外的输入被称为“附加输入”。如前所述，附加输入可以包括测得的 FiO₂、CPAP回路压力、呼吸率、灌注指数、pleth波形、HR_pleth、以及HR_ecg。

控制设备10还可以包括控制器11所控制的、用于触发可听和/或可视警报的警报单元。例如，在伺服FiO₂或测得的FiO₂与输出FiO₂值的偏差超出容许限度(分别为1％和2％)的情况下，可以触发警报。在一个示例中，针对5％和 10％的偏差，分别可能发生高水平警报和至手动模式的改变。

此外，可选地，控制设备10可以不是独立装置，而是安装或集成在另一装置上。例如，控制设备10可以集成在血氧计20中，或者集成在呼吸支持装置30中。

如以下更详细所述，控制器11可以包括采用反馈控制器的形式的核心组件，其中该反馈控制器适于且被配置用于针对早产婴儿的自动氧控制。反馈控制器包括机械回路、数字电路和/或电子电路，以基于输入控制信号以及反馈控制器中的内部控制值(也称为“项”)来生成输出控制信号。内部控制值可以包括以下各项的总和：

(a)即刻控制值，用于基于当前的输入值来调整输出；

(b)累积控制值，用于基于先前或过去的输入值来调整输出；以及

(c)预测控制值，用于基于预测的未来输入值来调整输出。

用于自动控制吸入氧输送的方法包括：

(a)接收表示针对患者的多个输入氧饱和度(SpO₂)值的信号；

(b)基于输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成控制值；以及

(c)基于控制值和参考吸入氧浓度(rFiO₂)值来生成输出吸入氧浓度(FiO₂) 值；

控制值可以包括与当前输入SpO₂值和目标SpO₂值的比较相关联的即刻控制值。可以基于输入SpO₂值、目标SpO₂值和即刻增益系数来生成即刻控制值。

控制值还可以包括基于输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的累积关系而生成的累积控制值。输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的累积关系可以是输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的差的累积。可以基于输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成累积控制值，并通过累积增益系数来调整该累积控制值。

控制值还可以包括基于输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的预测关系来生成预测控制值。预测关系可以是输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的差的时间导数。可以基于输入SpO₂值、目标SpO₂值和预测增益系数来生成预测控制值。

反馈控制器基于即刻控制值、累积控制值和预测控制值、以及rFiO₂值来生成控制值，并确定输出FiO₂值。

在反馈控制器中，将误差(e)定义为处理信号与设置点的偏差。反馈控制器可以是比例积分微分(PID)控制器。

PID反馈控制器可以通过多种方法来增强。通过自动评估当前需氧量，可以定期地获得肺功能障碍的严重程度的度量。对即刻控制值的增强可以包括基于肺功能障碍的严重程度的调节、处于目标范围内时的误差衰减、以及低氧期间的误差限制(capping)。对累积控制值的增强可以包括被积函数幅度限制、对非线性PaO₂-SpO₂关系的补偿、以及室内空气中的被积函数增加的抑制。

对于PID反馈控制器，各时刻输出的操作信号的值与误差、其积分及其微分成比例，其中在每种情况下具有不同的相乘系数、即即刻增益系数、累积增益系数和预测增益系数(分别被称为K_p、K_i、K_d)。对于PID反馈控制器，即刻控制值还可被称为“比例项”；累积控制值还可被称为“积分项”；以及预测控制值还可被称为“微分项”，这三项可被称为“PID项”。

在如这里所述的用于自动控制吸入氧输送的方法中，可以通过使与当前输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的差相关联的误差值乘以即刻增益系数来生成即刻控制值。误差值可以是误差(e)，即可以通过确定当前输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的差来生成。可选地，可以通过用于将当前输入SpO₂值和目标 SpO₂值进行比较的其它合适的数学方法来生成误差值。

对于PID控制器，SpO₂的到来的值(假设为有效信号)和所选择的目标范围的中点(例如，目标范围为91～95％，则中点为93％)之间的数值差可以用作误差(e)。

此外，可以通过使输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的差的累积乘以累积增益系数来生成累积控制值。例如，可以通过使误差值的总和乘以数字信号的累积增益系数、或者通过使误差值的积分乘以模拟信号的累积增益系数来生成累积控制值。可选地，可以通过用于得到输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的累积关系的其它合适的数学方法来生成累积控制值。

对于PID控制器，被积函数(∫edτ)可以是(受下述约束的)所有误差的总和或积分；PID控制中的积分项有利于克服稳态误差。

此外，可以通过使连续误差值之间的差除以时间的商(针对数字信号)或误差值(即，输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的差)的导数(针对模拟信号)乘以预测增益系数来生成预测控制值。可选地，可以通过用于得到输入SpO₂值和目标SpO₂值之间的预测关系的其它合适的数学方法来生成预测控制值。

对于PID控制器，导数

可以是之前5秒的线性回归的SpO₂斜率，并且在PID控制中提供对未来误差的预测。

例如，PID项中的各项的总和可以表示为ΔFiO₂(如以下公式1所示)。

如前所述，可以基于控制值和参考吸入氧浓度(rFiO₂)值来确定输出FiO₂值(要被输送至患者的FiO₂)。

在一些实施例中，输出FiO₂值可以是相应控制值和相应rFiO₂值的总和，即如公式2所示。

例如，FiO₂可以是ΔFiO₂和rFiO₂的总和(如以下公式2所示)。另外，FiO₂可以被舍入至±0.5％，并且被强制为21％和100％之间的值，即低于21％的任何值都被向上舍入至21％并且高于100％的任何值都被向下舍入至100％。

设置FiO₂＝ΔFiO₂+rFiO₂ (公式2)

rFiO₂值可以表示当前基线需氧量，其中该当前基线需氧量指示患者的肺功能障碍的严重程度。其可以是预定值或值的范围，或者可以通过用户的输入来选择。例如，rFiO₂值可以被预定为21％和60％之间的数字，或者高达100％的任何其它合适的数字。如以下更详细所述，rFiO₂值可以具有初始值并且随时间重复地修改。用于重复确定的时间段可以是固定的(例如，30分钟到2小时的任何时间段)，或者可选地可以是不确定的。以这种方式，可以检测并响应患有呼吸功能障碍的受试者体内发生的基础需氧量的逐渐变化。

在一些实施例中，即刻增益系数具有被选择为介于-2和-0.2之间(例如， -1)的初始值。

在一些实施例中，累积增益系数具有被选择为介于-0.25和-0.005之间(例如，0.0125)的初始值。

在一些实施例中，预测增益系数具有被选择为介于-2和-0.25之间(例如， -1)的初始值。

可以基于预定参考值或值的范围来确定K_p、K_i和K_d的值中的各值。例如，可以基于从使用来自早产婴儿的数据的模拟研究推导出的参考值或值的范围来确定K_p、K_i和K_d。这些系数各自的值可以为负，意味着PID项一致作用以校正误差。这些系数的示例性值的范围可以是：K_p-2～-0.2；K_i-0.25～-0.005； K_d-2～-0.25，例如，K_p＝-1,K_i＝-0.0125，以及K_d＝-1。如以下更详细所述，可以根据肺功能障碍的严重程度来修改K_p的代表值，并且还可以通过自动控制期间的自调整处理来改善K_p的代表值，例如每30～60分钟(或者足以进行适当评估的任何其它合适的时间段，例如，多于10分钟并少于120分钟)改善一次。

在一些实施例中，可以修改即刻控制值。

在一些实施例中，方法还可以包括：

基于目标SpO₂范围来确定目标SpO₂值；

其中，在当前输入SpO₂值处于目标SpO₂范围内的情况下，对即刻增益系数应用衰减算子，以及

基于当前输入SpO₂值和目标SpO₂范围的中点来生成衰减算子。

衰减算子可以是与当前输入SpO₂值和目标SpO₂范围的中点之间的差成比例的分数乘数。

另外，在当前输入SpO₂值低于目标SpO₂值的情况下，可以使与当前输入 SpO₂值和目标SpO₂值之间的差相关联的误差值限制为选定的最大差。

对于PID控制，可以在输入SpO₂值处于目标SpO₂范围内的情况下修改比例项的确定。

系统100可以对准目标范围的中点，从而将与该值的任何偏差定义为误差(e)。在认识到在目标范围内其它位置处的SpO₂值是可接受的情况下，可以利用与距中点的距离成比例的分数乘数K_pfm来使与相对于目标范围的中点的偏差相关的误差减小(目标范围衰减)。例如，对于从中点起跨度为±2的目标范围(例如，91％～95％)，对于|e|＝1，可以对K_p应用分数乘数K_pfm 0.25，并且对于|e|＝2，可以应用分数乘数K_pfm 0.5。

此外，鉴于在小于80％的值处的SpO₂监测的相对不精确性，可以限制负的误差(例如，限制到15％处)以确定比例项。

在一些实施例中，可以修改累积控制值。

在一些实施例中，可以基于动脉氧分压(PaO₂)和SpO₂之间的非线性预定关系来向累积控制值应用非线性补偿加权。

此外，可以修改累积控制值以使所述控制值限制到选定的最大控制值处。

对于PID控制，可以修改积分项。

在认识到积分项在持续低氧的情况下使FiO₂逐渐增加的情况下，可以对被积函数的幅度设置限制，从而将能够从PID控制器输出的最大ΔFiO₂限制到用户所设置的值(可以是±30％～40％，即比rFiO₂高或低30％～40％)。在低氧事件之后作为“过量”可能出现的高氧(即，在补氧时SpO₂高于目标范围)的情况下，高SpO₂值处的误差可能不与PaO₂距可接受值的可能的偏差成比例 (即，非线性PaO₂-SpO₂关系)。出于该原因，只要被积函数保持为负(即，趋于增加ΔFiO₂)，就可以对与相关ΔPaO₂值成比例的正误差应用误差乘数。在一个实施例中，在被积函数保持为负的同时随着每次迭代向被积函数添加经校正误差。误差乘数可以是表1中的误差乘数。

表1.针对正SpO₂误差的误差乘数

SpO<sub>2</sub>值	92％	93％	94％	95％	96％	97％	98％	99％	100％
										误差乘数	1.2	1.4	1.7	2.2	2.9	4.4	7.9	20.1	50

误差分数可以具有使负被积函数快速向回增加到零并因此缓解过量的效果。

此外，在一些实施例中，生成累积控制值可以包括：

i)在当前输出FiO₂值处于室内空气水平的情况下、以及(ii)在当前输入 SpO₂值高于所述目标SpO₂值的情况下，抑制所述累积控制值的增加。

一旦被积函数为正(即，倾向于减少ΔFiO₂)，就只有在设置FiO₂保持高于室内空气(21％)的情况下，才可以向被积函数添加其它正误差。当位于室内空气水平(即，FiO₂＝21％)时，高于目标范围的SpO₂的连续值可以不再被认为是表示持续高氧，并且正误差可以不被添加至被积函数，即，这些正误差值可以为空或者为零。这可以避免建立将使从积分项到下一次低氧发作的适当反应延迟的正被积函数。

在一些实施例中，可以修改预测控制值。

在一些实施例中，如果输入SpO₂值在整个负SpO₂斜率确定时间段内高于选定SpO₂阈值，则所述预测控制值可以是无效的。

对于PID控制，可以修改微分项。例如，可以在高氧期间修改微分项。

在一些实施例中，如果所有最新的5个SpO₂值都高于设置点(高氧事件)，则负SpO₂斜率可以是无效的(例如，绘制＝0)。因此可以在高氧时避免微分项对ΔFiO₂的向上压力。

图3示出用于生成比例项、积分项和微分项的控制器11所进行的处理 300，其包括如前所述的修改。

如图3所示，在S302中，如以下公式3所示，误差(e)的值被确定为输入SpO₂值和目标SpO₂值(例如，选定的目标范围的中点)之间的数值差。

e＝SpO₂–SpO₂目标 (公式3)

接着，在S304中，使用以下步骤来修改比例项：

(a)基于误差的值来选择分数乘数K_pfm的值：

如果|e|<＝1(即，误差小于或等于目标范围的25％，因此输入SpO₂值在目标范围内并且接近目标SpO₂值)，则K_pfm＝0.25；

否则，如果|e|<＝2(即，误差大于目标范围的25％但小于或等于目标范围的50％，因此输入SpO₂值在目标范围内而不接近目标SpO₂值)，则 K_pfm＝0.5；

否则(即，误差大于目标范围的50％，因此输入SpO₂值在目标范围以外)K_pfm＝1。

(b)基于CPAP回路压力和呼吸率来调整K_pfm：

如果(CPAP回路压力＝低)，则K_pfm＝2*K_pfm(即，回路压力的降低导致K_pfm增倍)；

否则，如果(呼吸暂停5～15秒)，则K_pfm＝2*K_pfm持续30秒(即，呼吸暂停导致持续30秒的K_pfm增倍)。

(c)在低氧期间应用比例项误差限制：

如果e>-15％(即，患者处于低氧)，则比例误差e_p＝-15％(即，限制比例项误差)；

否则e_p＝e。

(d)计算比例项：

比例项＝P(t)＝K_pfm*K_p*e_p。

在修改比例项之后，逻辑移动至S306以使用以下步骤来修改积分项：

(a)基于非线性预定关系来确定非线性补偿乘数(K_s)，其中该非线性预定关系可以是使用血氧水平和SpO₂的高值之间的已知关系而预定的(包括通过 Severinghaus公式所述的非线性预定关系)：

如果先前的积分项I(t-1)<0(即，被积函数保持为负)并且e>0(即， SpO₂高于目标范围)，

则：

如果SpO₂＝92，则K_s＝1.2；

否则，如果SpO₂＝93，则K_s＝1.4；

否则，如果SpO₂＝94，则K_s＝1.7；

否则，如果SpO₂＝95，则K_s＝2.2；

否则，如果SpO₂＝96，则K_s＝2.9；

否则，如果SpO₂＝97，则K_s＝4.4；

否则，如果SpO₂＝98，则K_s＝7.9；

否则，如果SpO₂＝99，则K_s＝20.1；

否则，如果SpO₂＝100，则K_s＝50；

否则K_s＝1

(即，向与相关ΔPaO₂值成比例的正误差应用非线性补偿乘数)。

(b)在室内空气的情况下抑制被积函数增加：

如果FiO₂＝21％(即，在室内空气的情况下)且e>0，则dI＝0(即，不向被积函数添加进一步的正误差)；

否则dI＝K_i*K_s*e。

(c)确定积分项的值：

积分项＝I(t)＝I(t-1)+dI。

(d)被积函数幅度限制：

如果|I(t)|>|ΔFiO₂最大/K_i|,I(t)＝(符号)*(ΔFiO₂最大/K_i)

(即，基于选定的ΔFiO₂最大值来限制积分项的值)。

在修改积分项之后，然后使用以下步骤在S308中修改微分项：

(a)评价微分项：

微分项＝D(t)＝K_d*de/dt，其中通过5秒内的线性回归来确定de/dt。

(b)使负斜率和高氧无效：

如果de/dt<0且(SpO₂(t)>SpO₂目标)且

(SpO₂(t-1)>SpO₂目标)且(SpO₂(t-2)>SpO₂目标)且

(SpO₂(t-3)>SpO₂目标t)且(SpO₂(t-4)>SpO₂目标)

(即，所有最新的5个SpO₂值都高于设置点)，

则D(t)＝0(即，负SpO₂斜率无效)。

此外，可以进一步基于rFiO₂值来生成控制值。

在一些实施例中，进一步基于rFiO₂值来确定即刻控制值(比例项)。

通过根据rFiO₂值确定的修改值对即刻控制值(比例项)进行修改。可以使用与rFiO₂的单调关系(即，基于单调函数)来确定修改值。例如，可以根据预订初始参考值或者根据K_p的当前值，利用由rFiO₂值确定的值对K_p进行修改。该修改值使即刻控制值的有效值针对rFiO₂增加而以与如当前rFiO₂所指示的肺功能障碍的严重程度成比例的缩放因子增加。例如，针对相应范围为 21％～60％的rFiO₂，K_p的代表值可以乘以范围为0.5～1.5的因子(例如，针对 rFiO₂ 21％，缩放因子可以是0.5，针对rFiO₂ 40％，缩放因子可以是1.0，并且缩放因子可以与从21％到60％变化的rFiO₂成比例地从0.5到1.5线性变化)。可选地，缩放因子可被实现为用于修改即刻控制值的等效修改值。以这种方式调节K_p可以补偿增益和肺病的严重程度之间的反比例关系。

此外，方法还可以包括：

在性能分析时间段期间接收表示多个输入SpO₂值的信号；

基于性能分析时间段期间接收到的输入SpO₂值来生成性能评价结果；以及

基于性能评价结果来生成控制值。

此外，基于性能评价结果来修改即刻增益系数。

在一些实施例中，可以在吸入氧输送的自动控制期间重复修改K_p的值：基于在性能分析时间段内接收到的输入SpO₂值来定期地执行对吸入氧输送的自动控制的性能分析并生成性能评价结果，并且可以基于性能评价结果来修改K_p的值。

在一些实施例中，可以基于以下中的至少一项来生成性能评价结果：性能分析时间段中的输入SpO₂值处于低氧范围的低氧持续时间、以及性能分析时间段中的输入SpO₂值处于高氧范围的高氧持续时间。

此外，在一些实施例中，基于高氧持续时间与低氧持续时间的比率来生成性能评价结果。

此外，在一些实施例中，所述方法还可以包括：

基于目标SpO₂范围来确定目标SpO₂值；

其中，基于以下中的至少一项来生成性能评价结果：

性能分析时间段中的输入SpO₂值处于目标SpO₂范围内的目标持续时间，以及

性能分析时间段中的输入SpO₂值处于好氧(eupoxic)范围的好氧持续时间，其中好氧范围是输入SpO₂值处于目标SpO₂范围内或者在室内空气的情况下高于目标SpO₂范围的范围。

性能分析时间段可以是固定时间段(例如，预定的或用户设置的时间段)。性能分析时间段可以是60分钟，使得基于分析之前的最后60分钟内记录的 SpO₂数据来进行分析。可选地，性能分析时间段可以是基于分析的结果或用户输入的指令的可变时间段(例如，介于30分钟和2小时之间的任意时间段)。

可以定期地进行分析。例如，可以每30分钟进行一次分析。也可以连续地进行分析，或者可以在每特定间隔(可以是高达2小时的任何合适时间段) 后进行一次分析。分析的频率也可由用户设置。

分析可以基于对起始于低氧开始(SpO₂<85％)并且持续超出其分辨率的特定时间段(在2～10分钟之间选定的任何合适时间段)的时间窗内的所有低氧事件的响应。

如以下参考图4所述，低氧(SpO₂ 80～84％)和严重低氧(SpO₂<80％)的总时间以及随后在接收氧气时的SpO₂过量到高氧(97～98％)和严重高氧(99～100％) 的持续时间可以被量化。

根据这些数据，加权性能系数可被推导为高氧时间与低氧时间的比率，其中该比例的值<1和>1可以分别表示功率不足的K_p和功率过大的K_p。作为该分析的结果，K_p的当前值可以每30分钟改变高达±10％。

此外，可以计算SpO₂处于目标范围内和处于好氧范围(SpO₂处于目标范围或者在室内空气的情况下高于目标范围)内以及发生低氧和高氧的时间比例。

在一些实施例中，可以在性能评价结果未能满足特定条件时触发警报，其中所述特定条件包括控制器输出基本低于好氧比例的最小需求(可以由用户进行调整并且设置在50％～80％的范围中)。

图4示出由控制器11进行的用于基于如前所述的性能评价结果来修改K_p的处理400。

如图4所示，在S402中，处理400判断从自动控制的开始或先前的性能分析起是否经过了30分钟。

如果判断结果是“否”，则处理400结束。如果判断为经过了30分钟，则处理400移动至S404以使用以下步骤基于先前的60分钟时间窗内的控制性能执行性能分析：

(a)计算好氧范围、低氧范围和高氧范围的时间比例：

t_严重低氧：SpO₂<80％

t_低氧：80％<＝SpO₂<＝84％

t_好氧：SpO₂处于目标范围内，或者在FiO₂＝21％的情况下高于目标范围

t_高氧：在接收氧气时，97％<＝SpO₂<99％

t_严重高氧：在接收氧气时，SpO₂>＝99％

(即，对低氧、严重低氧、高氧、严重高氧和好氧的总时间进行量化)

(b)计算加权性能系数：

C_性能＝(t_严重高氧+t_高氧)/(t_低氧+t_严重低氧)

(即，高氧(包括严重高氧)时间与低氧(包括严重低氧)时间的比率，用于指示功率不足的K_p和功率过大的K_p)

(c)计算新的K_p：

如果C_性能<＝0.7，则K_p＝K_p*1.1

如果0.7<C_性能<＝0.85，则K_p＝K_p*1.05

如果1.15<＝C_性能<1.3，则K_p＝K_p*0.95

如果C_性能>＝1.3，则K_p＝K_p*0.9

(即，基于时间比率来改变K_p的值)

(d)计算好氧时间：

好氧时间＝(t_好氧×100)/t_总

(即，SpO₂处于好氧范围的时间比例)

如果好氧时间<目标范围顺应性目的，

则警报：“目标范围顺应性”＝真。

(即，如果自动控制低于最小需求，则触发警报)。

此外，用于自动控制吸入氧输送的方法还可以包括：

(a)在rFiO₂评价时间段基于输入SpO₂值和相应的输出FiO₂值来生成 rFiO₂评价结果；以及

(b)基于rFiO₂评价结果来修改rFiO₂值。

rFiO₂值可以具有初始值并且可以随时间重复地修改。

在一些实施例中，可以定期地进行分析。例如，可以每30分钟(可被称为评价时间频率)进行一次分析。还可以在每特定间隔(可以是介于30分钟和2 小时之间的任何合适时间)后进行一次分析。在假设固定V/Q比率伴随着可变分流而导致氧合紊乱的情况下，可以以评价时间频率进行对偏移时间窗(“评价时间段”)内的设置FiO₂和SpO₂之间的关系的分析。时间窗可以是60分钟，或者任何合适的时间段(从30分钟～2小时的任何选定时间段)。接着可以例如使用用于计算V/Q比率的已知方式和公式来推导V/Q比率的值，并且可以根据该值来修改rFiO₂值以克服其对氧合的影响。该值可以是新的rFiO₂值(可被强制处于先前值的±10％内)。因此可以避免rFiO₂的快速变化。

图5示出控制器11所进行的用于修改rFiO₂的值的处理500。

如图5所示，在S502中，处理500判断是否是自动控制的开始、或者自上次更新参考FiO₂(rFiO₂)以来是否经过了30分钟。

如果判断结果是“否”，则处理500结束。如果判断为是自动控制的开始或者经过了30分钟，则处理500移动至S504以使用以下步骤来更新rFiO₂的值：

(a)滑动窗分析

对FiO₂和SpO₂进行60分钟滑动窗分析以获得V/Q比率并且根据V/Q比率获得rFiO₂。

(b)使rFiO₂强制处于先前值的±10％内。

如果(rFiO₂–先前rFiO₂)/(先前rFiO₂)>0.1，

则rFiO₂＝先前rFiO₂+符号(rFiO₂–先前rFiO₂)*0.1*先前rFiO₂

(即，确定被强制处于先前值的±10％内的新的rFiO₂值；因此可以避免 rFiO₂的快速变化)。

(c)在自动控制开始时，使用FiO₂的当前值或用户输入的值作为rFiO₂的开始值。

另外，用于自动控制吸入氧输送的方法还可以包括：

(a)通过在分层验证过程中将当前输入SpO₂值分类为多个有效性水平其中之一，基于当前输入SpO₂值来生成SpO₂验证结果；以及

(b)基于SpO₂验证结果来确定输出FiO₂值。

可以采用以下分层验证水平：

(a)“水平I”，对应于SpO₂输入“缺失”，SpO₂输入是否满足第一条件则；

(b)“水平II”，对应于SpO₂输入“可疑”，SpO₂输入是否满足第二条件则；以及

(c)“水平III”，对应于SpO₂输入“无效”，SpO₂输入是否满足第三条件。

此外，在一些实施例中，方法还可以包括：

接收以下中的至少一项：

表示根据SpO₂体积描记波形推导出的心率的信号；

表示根据心电监测推导出的心率的信号；

表示灌注指数的信号；

其中基于以下中的至少一项来确定当前输入SpO₂值的有效性：

接收到的根据SpO₂体积描记波形推导出的心率；

接收到的根据心电监测推导出的心率；以及

接收到的灌注指数。

对于SpO₂信号的验证，以下辅助输入中的一些或全部可以作为数字信号的源：

(a)根据SpO₂体积描记波形推导出的心率(HR_pleth)；

(b)根据心电监测推导出的心率(HR_ecg)；以及

(c)灌注指数，该灌注指数是血氧计波形脉动性的度量，其低值可能与伪SpO₂值相关联。

在自动控制开始时，然后每24小时(“灌注检查周期”)，可以在体积描记波形稳定并且信号强时记录表示最佳灌注的灌注指数值。灌注检查周期可以是任何合适的时间段，包括从6小时～2天的任何选定时间段。

图6示出控制器11所进行的用于确定灌注指数值的处理600。

如图6所示，在S602中，处理600判断是否是自动控制的开始、或者自上次灌注指数检查以来是否经过了24小时。如果判断结果是“否”，则处理600 结束。如果判断为是自动控制的开始或者经过了24小时，则处理600移动至 S604以输入新的最佳灌注指数值，例如，在过去的24小时内是第95个百分位数。

可以在之前的10秒(或者任何合适的时间段，包括从5秒～20秒的任何选定时间段)内记录的体积描记波形还可以作为借助于模数转换器数字化的模拟信号而输入。可以使用数据获取装置来获取数字信号和模拟信号。

波形分析通过分析来自脉搏血氧计的体积描记信号来验证SpO₂，以确认 SpO₂符合根据有效体积描记信号而预期的属性。评估方法单独地或者组合地包括：对信号的统计属性(诸如均值和方差等)的分析、经典信号处理技术(诸如自相关等)、逻辑算法(包括模糊逻辑)、以及模式识别技术(包括神经网络)。

例如，用于执行SpO₂体积描记波形分析的一个典型处理包括以下步骤：

(a)定期地从个体患者获得有效的“代表性”体积描记跟踪；

(b)使当前输入SpO₂体积描记信号沿两个轴标准化，使得周期性和峰谷幅值都与“代表性”体积描记跟踪相对应；

(c)通过多元线性回归将两个信号进行比较，其中均方误差给出对当前信号从“代表性”SpO₂体积描记波形偏离的指示。

可选地，可以通过其它方法(例如，模式识别，诸如线性判别分析或人工神经网络等)来比较两个信号。使用这些方法，预先记录的具有被分类为有效或无效的SpO₂的体积描记波形信号的记录的数据库可以用于模式识别的训练和验证，使得模式识别可以用于将所监测的SpO₂信号分类为有效或无效。

利用这些附加输入，可以采用以下分层验证过程：

(a)水平I：SpO₂值是否为零或非数值；

(b)水平II：在沿两个轴标准化之后、波形是否不符合一般体积描记波形；以及

(c)水平III：是否具有如下情况：

i.灌注指数<最佳值的30％(或任何其它合适值，例如，10％～50％之间的任何值)并且波形“可疑”，或者

ii.HR_ecg–HR_pleth的绝对值>30bpm(或者任何其它合适值，例如，20bpm～50bpm之间的任何值)并且波形“可疑”，或者

iii.SpO₂是否急剧下降(例如，在5秒内下降>15％或者表示SpO₂的突然且深度的下降的任何其它合适值，其中下降需要持续特定时间段，例如5 秒，这是因为有时SpO₂的突然下降可能是伪读数)，并伴有以下任何一项：“可疑”波形、心率差异或灌注指数差异(表明伪低氧)。

图7示出控制器11所进行的分层验证处理(700)的示例。

如图7所示，首先，在S702中判断输入SpO₂值是否为零或非数值。如果 SpO₂值为零或非数值，则将标记“水平1”设置为真(S704)，并且处理700结束。

如果输入SpO₂值不为零或非数值，则将标记“水平1”设置为假(S706)，并且在S708中进行进一步判断以测试输入SpO₂信号是否符合体积描记波形。如果判断为在沿两个轴标准化之后、输入SpO₂信号的波形不符合一般体积描记波形，则将标记“水平2”设置为真(S712)，即SpO₂输入是“可疑的”。如果输入SpO₂信号的波形符合一般体积描记波形，则将标记“水平2”设置为假。

接着，逻辑移动至S714，以判断灌注指数是否<最佳值的30％，并在灌注指数<最佳值的30％的情况下将标记“PI不匹配”设置为真(S716)、或者在灌注指数不小于最佳值的30％的情况下将标记“PI不匹配”设置为假(S718)。

接着，在S724中进行测试，以在S720中判断HR_ecg–HR_pleth的绝对值是否>30bpm。如果HR_ecg–HR_pleth的绝对值大于30bpm，则将标记“HR不匹配”设置为真(S722)；以及如果HR_ecg–HR_pleth的绝对值不大于30bpm，则将标记“HR不匹配”设置为假(S724)。

此外，在S726中，例如通过使用以下逻辑来判断“水平III”条件是否被满足，即SpO₂输入是否“无效”：

(“PI不匹配”且“水平2”)或者(“HR不匹配”且“水平2”)或者

((SpO₂在5秒内降低>15％)且(“水平2”或“PI不匹配”或“HR不匹配”))

如果结果为正，则将标记“水平III”设置为真(S728)，即SpO₂输入“无效”；如果结果不为正，则将标记“水平III”设置为假(S730)。

在一些实施例中，在输入SpO₂值被判断为无效的情况下(例如，在信号缺失或无效的情况下)，FiO₂可被设置为使输出FiO₂值保持为当前值、即先前纪录的FiO₂值。在信号长时间缺失或无效的情况下，在后述的警报触发之后，输出FiO₂值可以趋向于rFiO₂。

图8示出控制器11所进行的用于基于SpO₂的有效性来确定输出FiO₂值的处理800。

如图8所示，在S802中进行测试以决定输入SpO₂值是否“缺失”或“无效”。如果判断为输入SpO₂值“缺失”或“无效”，则在S806中将输出FiO₂值设置为与先前的输出FiO₂值相同。如果在S802中保持为输入SpO₂值不是“缺失”或“无效”，则逻辑移动至S804，其中例如使用以下步骤基于输入 SpO₂值来确定输出FiO₂值：

(a)计算ΔFiO₂：ΔFiO₂＝P(t)+I(t)+D(t)。

(b)计算输出FiO₂值：FiO₂＝ΔFiO₂+rFiO₂。

(c)如果窒息>15秒，则在窒息停止后的30秒内使输出FiO₂值向上改变 5％。

(d)将“输出FiO₂值”舍入到±0.5％。

(e)如果FiO₂<21％，则输出FiO₂值＝21％。

如果FiO₂>100％，则输出FiO₂值＝100％。

在一些实施例中，可以在SpO₂被确定为在特定时间段(例如，30秒或者可以防止来自具有低SpO₂的婴儿的信号连续确实的任何其它合适时间段)内无效的情况下激活警报(例如，可听和/或可视警报)。例如，警报可以是可听警报，并且在警报激活的情况下，警报的音量可以每几分钟(例如2分钟)增加，并具有检查血氧计探针和连接的报错消息。

在一些实施例中，可以终止警报，并且一旦检测到有效SpO₂，就立即恢复基于即刻控制值、累积控制值、预测控制值和参考吸入氧浓度的输出FiO₂值的判断。

另外，用于自动控制吸入氧输送的方法还可以包括：

(a)接收表示呼吸率的信号；

(b)其中进一步基于呼吸率来生成即刻控制值。

在一些实施例中，可以利用连接至呼吸监测器的腹腔囊来记录呼吸率，其中，对于每一个检测到的自主呼吸，可以将数字脉冲从呼吸检测器经由模数转换器路由至自动控制器。

可以识别呼吸暂停(例如，5秒到15秒的呼吸停止、或者足以预测可能的低氧事件的任何合适时间段内的呼吸停止)和窒息(例如，比15秒长或者比足以预测可能的低氧事件的任何合适时间段更长)的发作。

可以基于该附加输入来修改K_p的值。

例如，呼吸暂停可能导致呼吸停止之后的特定时间段(例如，30秒或任何合适时间段)内的K_p增倍。通过该调整，在发生低氧事件的情况下，自动控制器对低氧事件的反应更敏感。如果呼吸暂停继续为明显窒息，则FiO₂也可以与基础K_p值成比例地暂时增加2％～8％。

另外，用于自动控制吸入氧输送的方法还可以包括：

(a)接收表示回路压力的信号；

(b)其中进一步基于回路压力来生成即刻控制值。

对于得到持续气道正压(CPAP)呼吸支持的婴儿，可以对CPAP回路的吸气支路中的压力进行换能，并且将其作为数字信号输入。

例如，回路压力减小至低于平稳值的特定比例(包括20％和50％之间的任何选定值)的水平可能导致K_p的增倍，并且在30秒之后触发表示回路压力减小的警报。回路压力的完全丢失(<1cm H2O，即基本上没有输送压力的情况)可能触发表示回路压力丢失的较高水平的警报。

在一些实施例中，方法还可以包括：

接收手动超控(override)输入；

基于手动超控输入而不是控制值来确定输出FiO₂值。

此外，控制设备10可以具有自动控制模式和手动控制模式，并且自动控制模式可以在特定用户输入(即，手动超控输入)下切换至手动控制模式，随后在需要时恢复为自动模式.

例如，用户(例如，床边工作人员)可以将控制设备10切换为手动控制模式，使得控制器11不再产生输出FiO₂值的变化，并且氧合完全处于手动控制之下。

可以通过用户界面显示器14上所显示的用户界面中的手动超控输入来选择手动控制模式。手动控制模式可以作为用于产生FiO₂变化的控制器的功能的暂时中止(例如，30秒持续时间)，或者作为持续手动操作直到取消选择。

也可以通过使自动空气-氧混合器上的FiO₂选择拨盘旋转、即提供用以触发自动控制中止(例如，中止30秒或任何选定的合适时间段)的手动超控输入，来选择手动控制模式。

在中止之后的第一次迭代中，即从手动控制模式返回时，可以调整被积函数以使得在此后恢复自动控制的情况下将输出FiO₂值设置为等于伺服FiO₂的当前(即，用户选择)值。

图9是示出控制器11所进行的用于在手动模式和自动控制模式之间进行切换的处理900。

如图9所示，首先，在S902中执行测试以判断是否手动地改变了伺服FiO₂输入，即是否接收到手动超控输入。如果接收到手动超控输入，则在S904 中开始手动超控模式。如果没有手动改变伺服FiO₂输入，则逻辑移动至S906 以判断所限制的手动模式时间是否已经到期。如果所限制的手动模式时间已经到期，则在S908中将控制设备10设置为返回自动控制模式。如果所限制的手动模式时间尚未到期，则处理900结束。

此外，在自动控制期间，可以在特定条件下触发一个或多个警报。

例如，警报(例如，可听和/或可视警报)可以包括在控制设备10中，以向床边工作人员警告快速增加的FiO₂、达到最大ΔFiO₂、>30秒以及>2分钟的缺失或无效SpO₂信号、长时间窒息或回路压力丢失、以及系统故障。这些警报可被添加至NICU中的标准床边监测器内所设置的警报，与其集成、或者作为其替代。

图10示出控制器11所进行的用于基于通过监测如前所述的各种信号来控制警报的处理1000。

如图10所示，在S1002中，使用以下步骤来进行激活警报的处理：

(a)如果警报：“缺失信号”＝真，则激活缺失信号警报。

(b)如果警报：“低氧”＝真，则激活低氧警报。

(c)如果警报：“回路压力减小”＝真，则激活回路压力减小警报。

(d)如果警报：“回路压力丢失”＝真，则激活回路压力丢失警报。

(e)如果警报：“伺服FiO₂不匹配”＝真，则激活伺服FiO₂不匹配警报。

(f)如果警报：“伺服FiO₂错误”＝真，则激活伺服FiO₂错误警报。

(g)如果警报：“测得的FiO₂不匹配”＝真，则激活测得的FiO₂不匹配警报。

(h)如果警报：“测得的FiO₂错误”＝真，则激活测得的FiO₂错误警报。

(i)如果警报：“目标范围顺应性”＝真，则激活目标范围顺应性警报。

接着，处理1000移动至S1004，其中使用以下步骤来重置警报：

(a)如果缺失信号警报被重置，则警报(“缺失信号”)＝假。

(b)如果低氧警报被重置，则警报(“低氧”)＝假。

(c)如果回路压力减小警报被重置，则警报(“回路压力减小”)＝假。

(d)如果回路压力丢失警报被重置，则警报(“回路压力丢失”)＝假。

(e)如果伺服FiO₂警报被重置，则警报(“伺服FiO₂不匹配”)＝假。

(f)如果伺服FiO₂高位警报被重置，则警报(“伺服FiO₂错误”)＝假。

(g)如果测得的FiO₂警报被重置，则警报(“测得的FiO₂不匹配”)＝假。

(h)如果测量FiO₂高位警报被重置，则警报(“测得的FiO₂错误”)＝假。

(i)如果目标范围顺应性警报被重置，则警报(“目标范围顺应性”)＝假。

在完成S1004之后，处理1000结束。

此外，如前所述，控制设备10还可以包括用户界面显示器14，其向用户 (例如，床边看护者)显示用于示出各种信息并且接收用户基于用户界面所输入的指令的用户界面。所接收到的用户输入然后被发送至控制器11。

图11中示出用户界面显示器14上所显示的用户界面200的一个示例。用户界面200可以包括：

(a)数值SpO₂/FiO₂显示区域A01，用于显示最新的输入SpO₂值和最新的输出 FiO₂值；

(b)图形SpO₂/FiO₂显示区域A02，用于以图形方式显示输入SpO₂值和输出 FiO₂值的趋势；

(c)血氧计类型选择区域A03，供用户选择用于生成SpO₂信号的血氧计的类型；

(d)SpO₂目标范围设置区域A04，用于实时显示目标SpO₂范围并且使用户能够实时地改变目标SpO₂范围。

(e)最大ΔFiO₂设置区域A05，用于实时指示ΔFiO₂值的限制并且使得用户能够实时地改变ΔFiO₂值的限制；

(f)手动控制模式按钮B06，通过按下该手动控制模式按钮可以将控制设备10 在自动控制模式和手动控制模式之间进行切换；

(g)开/关按钮B07，通过按下该开/关按钮B07可以将控制设备10开启或关闭；

(h)状态显示区域A08，用于显示控制设备10的工作状态，这可以包括在特定条件下显示可视警报信息；

(i)参考FiO₂显示区域A09，用于显示最近的rFiO₂值；

(j)好氧时间显示区域A10，用于显示好氧的时间比例；

(k)FiO₂反馈指示区域A11，用于例如通过光指示器来指示伺服FiO₂或测得的 FiO₂是否与输出FiO₂值相匹配；

(l)有效SpO₂指示区域A12，用于例如通过光指示器来指示输入SpO₂值是否有效；以及

(m)附加输入指示区域A13和A14，用于例如通过光指示器来分别指示表示呼吸率的信号和表示呼吸回路压力的信号是否已被输入到控制设备10中。

通过图12中的流程图描绘了根据一些实施例的控制器11所进行的用于自动控制吸入氧输送的方法的一般控制过程。

如图12所示，在S1202中，在控制过程开始时，处理控制设备10的输入。

图13描绘了在S1202中处理输入的示例性步骤(1300)：从输入单元读取输入(S1302)，然后验证实时输入(S1304)。在验证输入之后，进行手动超控评估(S1306)。

图14示出在S1302中读取输入的典型步骤。如图14所示，在S1402中，接收包括表示针对患者的多个输入氧饱和度(SpO₂)值的信号的输入信号。输入信号可以包括：SpO₂、HR_pleth、灌注指数、体积描记波形、HR_ecg、呼吸率、 CPAP回路压力、伺服FiO₂、测得的FiO₂、ΔFiO₂最大值、SpO₂目标、目标范围顺应性目标。

图15示出在S1304中验证输入的典型步骤。首先，在S1502中验证输入界限，此后在S1504中更新灌注指数状态。然后在S1506中对SpO₂进行分层验证。此外，可以基于SpO₂分层验证的结果并且基于伺服FiO₂或测得的FiO₂与设置 FiO₂的偏差是否超出容许限度(分别为1％和2％)来触发警报。

在S1508中激活警报可以采用以下步骤：

(a)如果在>30秒内SpO₂信号是水平1或水平3，

则警报：“缺失信号”＝真。

如果在>2分钟内SpO₂信号是水平1或水平3，

则增加警报“缺失信号”的音量，给出检查血氧计探针和连接的报错消息。

(b)如果|(设置FiO₂-伺服FiO₂)/(设置FiO₂)|>1％，

则警报：“伺服FiO₂不匹配”＝真。

如果|(设置FiO₂-伺服FiO₂)/(设置FiO₂)|>5％，

则警报：“伺服FiO₂错误”＝真，并且手动模式＝真；

(c)如果|(设置FiO₂-测得的FiO₂)/(设置FiO₂)|>2％，

则警报：“测得的FiO₂不匹配”＝真。

如果|(设置FiO₂-测得的FiO₂)/(设置FiO₂)|>10％，

则警报：“测得的FiO₂错误”＝真，并且手动模式＝真。

此外，图16示出在S1502中验证输入界限的典型步骤。

如图16所示，首先，在S1602中设置有效输入界限。例如，IB(1)～IB(9) 的有效输入界限可被设置为如下：

IB(1)SpO₂： 0<＝SpO₂<＝100％。

IB(2)HR_pleth： 0<＝HR_pleth<＝300bpm

IB(3)灌注指数： 0<＝灌注指数<＝10

IB(4)体积描记波形： 0<＝体积描记波形<＝5V

IB(5)HR_ecg： 0<＝HR_ecg<＝300bpm

IB(6)呼吸率： 0<＝呼吸率<＝150/分钟

IB(7)CPAP回路压力： 0<＝CPAP回路压力<＝20cm H2O

IB(8)伺服FiO₂： 21％<＝伺服FiO₂<＝100％

IB(9)测得的FiO₂: 21％<＝测得的FiO₂<＝100％

接着，通过S1604、S1608和S1606的循环，进行判断以决定各IB(i)的输入值是否在有效输入界限以外。如果输入值不在有效输入界限以外，则循环继续以确定下一IB(i)。如果输入值在有效输入界限以外，则逻辑移动至S1610，使用IB(i)的上一有效值来代替当前IB(i)。在S1610之后，执行测试以判断是否发生了过度超时(S1612)。如果发生了过度超时，则设置输入超时标记ITO(i)(S1614)，并且逻辑进入S1616以处理下一IB(i)或完成输入界限评估。

在已经验证了所有IB(i)的情况下，逻辑移动至S1618以例如使用以下步骤基于CPAP回路压力的当前值来判断是否应该激活警报：

a.有效回路压力处于范围中：

如果CPAP回路压力<平稳值的50％，

则CPAP回路压力＝低

(即，如果回路压力低于平稳值的50％，则判断为回路压力低)；

如果CPAP回路压力<1cm H₂O，

则CPAP回路压力＝丢失。

(即，如果回路压力低于平稳值的1cm H₂O，则判断为回路压力完全丢失)；

b.激活CPAP回路压力警报：

如果在>30秒内CPAP回路压力低，

则激活警报：“回路压力减小”

(即，在多于30秒内回路压力低于50％，则触发警报)

在S1504中更新灌注指数状态可以采用如前所述的图6中所示的处理。

在S1506中对SpO₂进行分层验证可以采用如前所述的图7中所示的处理。

S1306中的手动超控评估可以采用如前所述的图9中所示的处理。

在S1202中处理输入之后，进行自动控制(S1204)，基于输入SpO₂值来确定FiO₂值。

图17描绘了S1204中的自动控制的典型步骤。如图17所示，一旦开始自动控制，则首先进行定期自适应处理(S1702)。

通过图18中的流程图来描绘S1702中的定期自适应处理的典型步骤。如图18所示，定期自适应处理可以包括更新参考FiO₂(S1802)和性能分析 (S1804)，其分别可以采用(如前所述的)图5和图4所示的典型处理。

在S1702中的定期自适应处理之后，在S1704中生成PID项。S1704可以采用如前所述的图3所示的典型处理。

在S1706中，基于PID项、rFiO₂值和输入SpO₂值的有效性来确定输出FiO₂值。在S1706中可以采用如前所述的图8所示的典型处理来确定输出FiO₂值。

在S1708中，检测装置是否已被切换为手动模式。如果检测到装置已被切换为手动模式，则将输出FiO₂值设置成与用户(例如，床边工作人员)所选择的FiO₂值相等。

在S1710中，控制过程判断是否需要触发一个或多个警报，并相应地控制这些警报。S1710可以采用(如前所述的)图10所示的典型处理。

在图12中，在S1204之后，然后将所确定的FiO₂值设置为输出并将其发送至输出单元(S1206)，并且控制过程更新显示以反映更新后的数据(S1208)，例如，显示包括接收到的输入SpO₂和更新后的输出的数据。

在更新显示之后，控制过程检测是否检测到用于指示退出自动控制的用户输入(S1210)。如果没有检测这样的用户输入，则控制过程再次进入S1202 以重复步骤S1202～S1210。如果检测到用于指示退出自动控制的用户输入，则控制过程结束。

此外，尽管在如前所述的一些实施例中用于自动控制吸入氧输送的方法是利用控制设备10来执行，但该方法还可以采用软件；硬件；固件；软件、硬件和/或固件的一些组合；以及/或者其它机制的形式来执行。例如，可以利用用于执行(例如，使用编码工具而生成的)机器可读代码中的步骤的计算机或微计算机来执行该方法。软件还可以集成或安装在控制装置、血氧计、或呼吸支持装置中。这里所述的信号是电信号，并且存储值被储存在非暂时性电子可访问存储中。

这里描述了一种用于自动控制吸入氧输送的设备。

该设备包括：输入单元，用于接收表示针对患者的多个输入氧饱和度 (SpO₂)值的信号；存储器，用于记录所接收到的输入SpO₂值；控制器，用于基于输入SpO₂值来确定输出吸入氧浓度(FiO₂)值；以及输出单元，用于输出所确定的输出FiO₂值。

控制器基于输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成控制值；并且基于控制值和参考吸入氧浓度(rFiO₂)值来生成输出FiO₂值。如前所述，控制值包括：基于输入SpO₂值、目标SpO₂值和即刻增益系数而生成的即刻控制值；基于输入 SpO₂值、目标SpO₂值和累积增益系数而生成的累积控制值；以及基于输入 SpO₂值、目标SpO₂值和预测增益系数而生成的预测控制值，其中，基于rFiO₂值来确定即刻增益系数；以及基于动脉氧分压(PaO₂)和SpO₂之间的预定非线性关系来向累积控制值应用非线性补偿加权。

例如，该设备可以具有如图2所示的控制设备10那样的结构。

这里描述了一种用于自动控制吸入氧输送的系统。该系统包括：一个或多个氧饱和度监测装置、以及一个或多个吸入氧控制装置；控制装置；以及网络，用于实现一个或多个氧饱和度监测装置和控制装置之间的通信、以及一个或多个吸入氧控制装置和控制装置之间的通信。

控制装置通过以下来控制吸入氧输送：通过网络从一个或多个氧饱和度监测装置中的各氧饱和度监测装置接收表示针对患者的多个输入氧饱和度 (SpO₂)值的信号；基于输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成控制值；基于控制值和参考吸入氧浓度(rFiO₂)值来生成输出吸入氧浓度(FiO₂)值；以及通过网络将所确定的输出FiO₂值发送至相应的吸入氧控制装置。如前所述，控制值包括：基于输入SpO₂值、目标SpO₂值和即刻增益系数而生成的即刻控制值；基于输入SpO₂值、目标SpO₂值和累积增益系数而生成的累积控制值；以及基于输入SpO₂值、目标SpO₂值和预测增益系数而生成的预测控制值，其中，基于 rFiO₂值来确定即刻增益系数；以及基于动脉氧分压(PaO₂)和SpO₂之间的预定非线性关系来向累积控制值应用非线性补偿加权。

以这种方式，控制装置可以在网络中与连接至该网络的一对或多对氧饱和度监测装置和吸入氧控制装置一起使用。这可以允许在远程站点处对性能进行实时自动控制，并且可以允许大规模地收集数据。集中式控制装置还可以简化控制过程的调整或修改。

示例

以下描述了涉及用于自动控制吸入氧输送的方法的典型实验、以及相应的实验结果。

第一示例

方法

在第一示例中，通过以下操作来强化比例积分微分(PID)控制器：(1)对非线性SpO₂-PaO₂关系的补偿，(ii)对肺功能障碍的严重程度的适应，以及(iii) 目标范围内的误差衰减。

氧控制器方法体现在如下的独立装置中，其中该独立装置包括处理平台 (膝上型计算机)、装置输入和输出、伺服控制的空气-氧混合器、以及计算机屏幕上显示的用户界面。控制指令以图形编程语言(美国奥斯汀的National Instrument公司的LabVIEW 2010)编写，并且作为机器可读指令上传至膝上型计算机中。

这些指令提供了比例积分微分(PID)控制器。对于PID控制，误差被定义为处理信号与设置点的偏差，并且在各个时刻输出的操作信号的值与误差、其积分及其微分成比例，并在各种情况下具有不同的相乘系数(K_p、K_i、K_d)。在这种情况下，误差(e)是到来的SpO₂值(假设有效信号)和所选择的目标范围的中点(例如，目标范围为91～95％，则中点为93％)之间的数值差。被积函数 (∫edτ)是(受下述约束的)所有误差的总和；PID控制中的积分项有利于克服稳态误差。导数

是之前5秒内的线性回归的SpO₂斜率，并且在PID控制中给出对未来误差的预测。每次迭代的处理的输出是ΔFiO₂、即各PID项的总和 (公式4)。要输送的FiO₂(设置FiO₂)是ΔFiO₂和参考FiO₂值(rFiO₂)的总和，其表示当前基线需氧量(公式5)。设置FiO₂被舍入至±0.5％并且被强制为 21％～100％之间的值。

设置FiO₂＝ΔFiO₂+rFiO₂ (公式5)

PID控制过程在每秒迭代的循环内，从而允许在必要的情况下以1秒间隔进行FiO₂改变。K_p、K_i和K_d的值的范围可以从广泛的模拟研究中推导出来。示例中所使用的K_p、K_i和K_d的值是：K_p-1；K_i-0.0125；K_d-1。K_p的值可以适应于肺功能障碍的严重程度，在-0.5～-1之间的范围内(见下文)。

应用PID控制器的修改以适应处于控制下的系统的一些特性。通过应用与距目标范围的中点的距离成比例的分数乘数来减少与该目标范围内的 SpO₂值相关的误差(目标范围衰减)。此外，鉴于在小于80％的值处的SpO₂监测的相对不精确性，负的误差被限制到13％处。这些误差调整仅应用于比例项的计算。

还实现了对积分项的处理的一些修改。在认识到积分项在持续低氧的情况下使FiO₂逐渐增加的情况下，可以限制FiO₂的幅度，从而将最大ΔFiO₂限制为比rFiO₂高40％。在可能作为“过量”跟在低氧事件之后的高氧(在补氧时SpO₂高于目标范围)的情况下，高SpO₂值的误差与PaO2距可接受值的可能偏差不成比例(图19)。

为了克服这一点，采用Severinghaus补偿，由此在高氧期间，只要积分项保持为正(即，趋于增加ΔFiO₂)，误差乘数就被应用于到来的正误差(参见下表2)。在确定积分项时，将误差乘数应用于正的SpO₂误差，直到积分项减小至零为止。由Severinghaus公式推导出误差乘数的值。在处于室内空气中时，高于目标范围的SpO₂的连续值不再被认为是表示持续高氧，并且积分项不改变。

表2.针对正SpO₂误差的误差乘数

在高氧时还修改微分项计算，使得如果所有最新的5个SpO₂值都高于设置点，则负的SpO₂斜率无效(即，绘制＝0)。因此在高氧时避免微分项对ΔFiO₂产生向上压力。

研究了自适应方法，其中通过应用与当前rFiO₂成比例的缩放因子而根据肺功能障碍的严重程度来改变K_p。K_p的修改是通过使K_p的代表值乘以范围在21％～40％中的rFiO₂相对应的范围在0.5～1.0中的因子而进行的。以这种方式改变K_p承认了在该群体中观察到的增益和肺病的严重程度之间的反比例关系。

控制过程的主要输入SpO₂可以源自具有模拟或数字数据输出的任何血氧计。对于临床前测试，从早产婴儿的模拟氧合中推导SpO₂。来自控制过程的输出可被发送至能够接收并执行期望的FiO₂值的任何装置(包括空气-氧混合器和机械通气机)。对于临床前测试，输出FiO₂与氧合模拟器相关联。

临床前测试

研究了三种增强特征的贡献。使用氧合模拟来评价利用a)Severinghaus 补偿、b)K_p改变和c)目标范围衰减的PID控制的所有排列的性能。针对来自接收持续气道正压的16个早产婴儿中的每个的对FiO₂和SpO₂的1Hz记录(24h 持续时间)被转换为通气-灌注

比率和分流的值的序列。原始记录的 SpO₂平均时间为2～4秒，并且在数据抽象和模拟期间不再进行进一步平均。然后将

和分流序列与自动氧控制器内的被测控制器相联系，从而允许生成一系列SpO₂唯一值。SpO₂目标范围被设置为91％～95％。还检查了不具有积分项的控制器的功能(即，比例-微分，PD)、以及在FiO₂调整之后具有30 秒自锁(lockout)的全增强型控制器的功能。对于后面的这些分析，试验了PID 系数的多种排列以尝试优化性能。

对于在模拟期间生成的16个SpO₂序列中的各序列，计算处于以下氧合状态下的时间比例：SpO₂处于目标范围内、好氧(SpO₂处于目标范围内或者在室内空气中时高于目标范围)、SpO₂<80％、<85％、低于或高于目标范围、在氧气中>96％、以及在氧气中>98％。识别低氧(SpO₂<85％)和高氧(在氧气中SpO₂>96％)长时间发作的频率，正如被定义为具有SpO₂<85％的低氧事件之后的2分钟内持续至少60秒的高于目标范围的SpO₂读数的SpO₂过量的频率。使用SpO变异系数(CV)、以及目标范围以外的发作的频率和平均持续时间来评价SpO₂不稳定性。除针对SpO₂过量以外，这些数据被汇总为中间值和四分位距(IQR)，其中针对各控制过程，数据被池化并表示为单个值。通过将使用Friedman非参数重复测量ANOVA的中间值与Dun的事后检验进行比较来评价控制性能。为简单起见，比较限于以下分组：a)具有或不具有一个增强因子(Severinghaus补偿/K_p改变/目标范围衰减)的PID；b)减去或未减去一个增强因子的增强型PID；c)PID/增强型PID/具有30秒自锁的PID/PD的比较。还生成了根据原始记录的、与通过手动控制所进行的SpO₂对准有关的汇总数据，但是在给定不同SpO₂目标范围(88％～92％)的情况下不进行统计比较。

结果

模拟中所使用的记录来自中间出生孕龄为30.5周(IQR 27.5～31周)、中间出生体重1320(910～1860)克、以及中间产后年龄2.0(0～5.3)天的16个早产婴儿。这些婴儿具有相当程度的SpO₂不稳定性，其中低氧发作(SpO₂<80)发生频率为每4小时发作3.1(1.6～9.9)次。在记录时，CPAP压力水平是7.0(6.5-8.0) cm H₂O且基线FiO₂是0.28(0.25-0.31)，其中基线FiO₂范围为0.21～0.61。在移除缺失SpO₂数据之后，记录的持续时间为22(20～26)个小时。

在模拟测试中，PID控制器的不同组件的互补功能是显而易见的。向PID 控制器单独地添加K_p改变和目标范围衰减改进了好氧时间，而添加 Severinghaus补偿减少了高氧的发作(表3和表4)。整体上，具有所有3种增强的PID控制器的性能优于其它组合。在没有目标范围衰减的情况下，好氧时间趋于比完全增强型PID更高(表3)。在没有K_p改变的情况下最有效地消除了低氧和高氧发作(表4)。从增强型控制器中移除Severinghaus补偿使低氧最小化，但是可预测地导致更多的高氧时间和高氧发作(表3和表4)。增强型控制器在所有方面都比在各FiO₂改变之后具有30秒自锁时间段的控制器表现得更好，并且显著优于PD控制器(表3和表4)。

SpO₂记录的稳定性还随着增强特征的不同排列而显著变化(表5)。记录中的SpO₂CV值整体反映了各个示例(例如，从增强型控制器中移除了K_p改变) 中所看到的不稳定性。利用增强型控制器(和其它几种组合)来使SpO₂ CV最小化，从而表明处于这些条件下的相对稳定性。具有30秒自锁的PID控制和 PD控制都导致较低的SpO₂稳定性、以及高于和低于目标范围的持续较长的发作(表5)。

向PID控制器单独添加各增强特征显示出益处。增强型控制器比具有较少增强的PID控制器具有更好的全方位性能，在期望SpO₂范围中具有最佳时间组合，并且避免低氧和高氧。该控制器与具有30秒封锁的控制器表现得更好，并且显著地优于PD控制。

增强型PID控制器能够对SpO₂偏差作出快速响应，从而在必要的情况下高达每秒一次地对FiO₂进行调整。对低氧事件或高氧事件的最初响应主要是比例项和微分项的领域，并且具有由积分项所命令的进一步且更加缓和的 FiO₂调整，直到恢复常氧为止。

至少在模拟时，增强型PID控制器在缓解长时间的低氧和高氧发作方面非常有效。向PID控制器添加Severinghaus补偿有助于克服高氧事件(包括过量)并从导致高氧事件重复出现的增强型控制器中移除这些高氧事件。

总之，在以上使用氧合模拟的临床前测试中，增强型控制器在对准期望 SpO₂范围并避免氧合的极端情况方面非常有效。

表3.SpO₂对准

比较预指定SpO₂范围内的时间比例(占总时间的％)。中间值(四分位距)。列内统计比较(Friedman ANOVA与Dunn的事后检验的比较)：a与b不同，P<0.05， c与d不同；e与f不同；g与h不同；i与j不同；k与1不同。PID：比例积分微分； K_p：比例系数；SC：Severinghaus补偿，TRA：目标范围衰减。

表4.低氧发作和高氧发作和过量

持续低氧和高氧发作(≥30秒持续时间和≥60秒持续时间)的频率与过量的频率的比较。列内统计比较(Friedman ANOVA与Dunn的事后检验的比较)：a与b 不同，P<0.05，c与d不同；e与f不同；g与h不同；*是针对所有16个记录所池化的过量发作的数据。如表3的缩写；参见前述方法以获得过量的定义。

表5.SpO₂不稳定性

SpO₂不稳定性指数。中间值(四分位距)。列内统计比较(Friedman ANOVA与 Dunn的事后检验的比较)：a与b不同，P<0.05，c与d不同；e与f不同；g与h 不同；i与j不同。PID：比例积分微分；K_p：比例系数；SC：Severinghaus补偿，TRA：目标范围衰减。

第二示例

方法

在第二示例中，示例1中的增强型PID控制器并入氧控制装置中并通过临床评价来进行测试。

如图20所示，并入了自动氧控制方法的装置是包括如下的独立仪器：膝上型计算机、自动空气-氧混合器、以及并入模数(AD)转换器的数据输入/输出装置(美国奥斯汀的National Instrument的USB-6008)。控制器从标准心肺监测器(澳大利亚诺丁山

Medical Systems Inc的

Infinity)接收数字输入，包括SpO₂(加利福尼亚州尔湾Masimo公司的Masimo血氧计探针)、根据心电信号确定的心率(HR_ecg)、以及体积描记心率(HR_pleth)。SpO₂平均被设置为快速(2～4秒)。经由呼吸回路的近端支路中的传感器(Teledyne)来测量 FiO₂，并经由AD转换器将其输入到装置。根据控制器推导出的期望的FiO₂值被路由至定制安装在空气-氧混合器(新南威尔士州七山Carefusion的BirdUltrablender)上的伺服马达(美国波威市Hitec RCD USA的型号HS-322HD)，其中该空气-氧混合器使得能够经由环状齿轮机构来使混合器FiO₂选择拨盘自动旋转。伺服马达和齿轮系统具有足够的转矩和精确度，以使得能够精确且重复地进行对FiO₂的小调整(最小±0.5％)。伺服马达还具有低保持转矩，使得仍然可以手动地转动混合器拨盘；这种手动干预由位置传感器检测到并且导致切换为FiO₂不再受自动控制的手动模式(见下文)。在每次研究开始时，检查伺服马达校准并且在必要的情况下改变伺服马达校准。

自动控制方法包含在确定比例项、积分项和微分项方面增强以适应针对早产婴儿的自动氧控制的PID控制的应用的PID控制过程。比例项的增强包括基于肺功能障碍的严重程度的调节、处于目标范围内时的误差衰减、以及低氧期间的误差限制。积分项增强包括被积函数幅度限制、对非线性PaO₂-SpO₂关系的补偿、以及在室内空气的情况下对被积函数增加的抑制。

PID控制过程在每秒的循环迭代内。该方法因此被设计为检测早产婴儿的过于频繁的氧合快速变化并对其进行响应。使用来自早产婴儿的数据从广泛的模拟研究中推导出PID系数的值的范围，从而允许检查所有系数的不同值的多个排列。示例中所使用的K_p、K_i和K_d的值是：K_p-1；K_i-0.0125；K_d-1。 K_p的值可以适应于肺功能障碍的严重程度，在-0.5～-1之间的范围内。

非数值SpO₂值被视为缺失，正如HR_ecg值和HR_pleth值相差>30bpm的SpO₂值。在缺失SpO₂值的情况下，FiO₂保持为当前值。一恢复有效信号，控制器的全部功能就会恢复。

在自动控制期间，床边工作人员可以通过手动转动混合器FiO₂拨盘来对控制装置进行超控。这种以信号形式通知的手动超控是通过检测设置FiO₂和伺服马达内的位置传感器所检测到的FiO₂值之间的差异来实现的。一旦进行手动超控，就在最后一次手动FiO₂改变的30秒后、在用户选择的FiO₂处恢复自动控制。如果认为有必要，还可以根据来自床边工作人员的指令由研究小组将装置锁定为手动控制模式。

临床测试

该研究在Royal Hobart医院的新生儿和儿科重症监护室进行。该监护室每年为约70个<32周孕龄的早产婴儿提供监护，并且具有尽可能地为该患者组使用无创呼吸支持(包括持续气道正压(CPAP)和高流量鼻插管(HFNC))的精神。用于滴定氧疗的SpO₂目标范围已被修改为90％～94％，之前为 88％～92％。

<37周孕龄且<4个月月龄的早产婴儿如果接收无创呼吸支持(CPAP或 HFNC)并且在研究期开始时接收补氧，则有资格进行研究。排除具有急性不稳定或先天性异常(包括动脉导管未闭以外的心脏畸形)的婴儿。

这是4小时自动氧控制时间段的前瞻性干预研究，其中与总共8小时的标准手动控制中的两侧时间段(自动控制之前和之后的4小时)进行比较。研究期之间存在15分钟的间隔，以避免产生延滞效应。研究人员在自动控制时间段期间加入，但是除非出现严重的系统故障，否则不予床边临床工作人员进行互动。在自动控制期间，看护者可以通过转动混合器拨盘来超控对研究中所使用的定制空气-氧混合器进行输出的控制装置。在手动控制的记录期间，床边看护者被指示使用他们惯用的方法来使SpO₂对准标准SpO₂目标范围 (90％～94％)。基于先前的研究，可以预期，在手动的情况下，优先对准该范围的上端。鉴于自动控制器对准SpO₂范围的中点，在自动控制期间，目标范围被设置为91％～95％，其中，期望手动SpO₂直方图和自动SpO₂直方图将重叠并且具有相同的中间SpO₂。对于手动和自动研究时期这两者，SpO₂警报设置是相同的——下限89％、上限96％。

在研究之前，血氧计探针放置在导管后位置，并且在3个研究时期不移动，除非存在临床需要或持续的差的SpO₂信号。在可能的情况下，护理时间被安排落在数据记录时间段以外。对于自动控制，基于最近的基线补氧需求，在每个婴儿中选择参考FiO₂(rFiO₂)的恒定值。

针对每个婴儿记录相关的人口统计数据和临床数据，包括孕龄、出生体重、以及研究时的临床状态和呼吸支持水平的详情。在手动和自动控制期间都以1Hz记录SpO₂和FiO₂。这些记录的分析使得能够通过对SpO₂变异系数以及目标范围以外的发作的次数和平均持续时间的评估，来评价各婴儿的SpO₂不稳定性。此外，确定了以下氧合状态中的各氧合状态的时间比例：SpO₂处于目标范围内、好氧(SpO₂处于目标范围内或者在室内空气的情况下高于目标范围)、SpO₂处于警报范围(89％～96％)、以及在氧气中SpO₂<80％、 80％～84％、85％～88％、97％～98％、以及在氧气中>98％。为了计算这些值，分母是排除缺失SpO₂信号的时间段期间的数据之后的可用时间。识别低氧和高氧长时间发作的频率，正如被定义为在SpO₂<85％的低氧事件之后的2分钟内的持续至少60秒高于目标范围的SpO₂读数的SpO₂过量的频率。确定手动和自动记录期间的FiO₂调整(测得的FiO₂改变1％或更大)的次数，以及每种情况下的平均氧暴露(平均FiO₂)。

除非另有说明，数据被表示为中间值和四分位距(IQR)。使用Wilcoxon 匹配对测试来在自动控制时期和手动控制时期之间进行比较。对于这些分析，对来自两个手动控制时期的数据进行池化，但是另外还使用各婴儿的最佳手动控制时期(即，具有最大好氧时间比例的持续时间≥2h的手动记录)作为比较器。主要结果是好氧的时间比例。针对研究所选择的样本大小(20个婴儿)主要基于获得控制器性能的初始临床体验以及足够数量的受试者的安全性的需要。在先前的45个婴儿的研究中，我们发现在处于氧气中时在目标范围中的时间比例为30±15％(均值±标准差)。假设在本研究中针对配对的自动控制值和手动控制值之间的差异具有相同的标准差，因此20个婴儿的样本使得能够以80％功率和alpha误差0.05来检测自动时期和手动时期之间的好氧时间的10％差异。

结果

该研究从2015年5月进行到2015年12月。登记婴儿(n＝20)的中间出生胎龄为27.5周(IQR 26～30周)且中间出生体重为1130(940～1400)gm。这20名婴儿中有15名为男性(75％)。对产后年龄为8.0(1.8～34)天、月经周后校正胎龄为 31(29～33)且体重为1400(1120～1960)g的婴儿进行研究。对于在CPAP上研究的婴儿(n＝13)，开始记录时的压力水平为6(5-8)cm H₂O；对于在HFNC上研究的婴儿(n＝7)，起始流速为6(5.5-6.5)L/min。在所有情况下，护士：患者的比率均为1:2。

18个婴儿具有可用的来自手动控制的两侧时间段的数据，其中数据记录失败和自动控制之后立即需要插管是第二手动控制数据记录不可用的原因 (各自一例)。在第一手动记录、第一自动记录和第二手动记录中，缺失信号的比例分别是2.9(0.5～5.4)％、1.7(0.7～3.4)％以及1.5(0.8～7.1)％，从而留下3.8 (3.7～4.0)、3.8(3.7～3.9)和4.0(3.8～4.0)小时的可用时间以供分析。

图21的曲线图A和B示出手动控制和自动控制期间来自同一个婴儿的两小时记录，包括以下的SpO₂样本记录(实线，Y轴：％饱和度)和FiO₂样本记录 (虚线，Y轴：％氧气)：

(A)婴儿5，怀孕27周出生，在第40天进行研究，接收高流量鼻插管(HFNC) 6L/min，手动控制，好氧时间59％(图21的曲线图A示出)；以及

(B)婴儿5，自动控制，好氧时间79％，在自始至终将rFiO₂设置为29％的自动控制的情况下，好氧时间82％(图21的曲线图B示出)。

图21的曲线图A和B显示FiO₂的手动控制期间的SpO₂的典型可变性(图21 的曲线图A)，这种典型可变性在自动控制期间不太突出(图21的曲线图B)。图21所示的典型数据展示出控制器所作出的FiO₂的快速响应、以及目标范围内的时间增加(如灰色带所示)。

如图22所示(黑条：手动控制；白条：自动控制，T＝目标范围内的SpO₂值，针对手动控制，目标范围是90％～94％，针对自动控制，目标范围是 91％～95％)，池化SpO₂数据的频率直方图示出利用自动控制的目标范围内的时间比例的大幅增加，其中与手动控制相比，低氧值和高氧值较低。手动控制期间的SpO₂目标轮廓显现为在目标范围的上端具有曲线的峰值。相比之下，并且如所预期的，自动控制对准设置目标范围的中点(即，SpO₂93％)。在接收补氧时，针对手动控制和自动控制池化数据中的中间SpO₂都是93％。

在自动控制期间，氧合显著更稳定，并且与手动控制相比具有较少的低于目标范围且低于80％的SpO₂偏差、且目标范围以外的所有发作的持续时间较短。SpO₂变异系数也显著不同(手动：3.8(3.2～4.7)％，自动：2.3(1.8～3.0)％， P<0.0001)。

与组合的两个手动控制时期相比，自动控制导致目标范围和好氧范围的时间分别增加23％和25％(表6)。警报范围(89％～96％)内所花费的时间也更高。自动控制显著缩短了氧合的两种极端情况的时间，实际上消除了SpO₂ <80％的低氧和在氧气中SpO₂>98％的高氧。较小范围的低氧和高氧中所花费的时间也减少了。

这些发现反映了对低氧和医源性高氧的长时间发作的分析，其中低氧和医源性高氧这两者在手动控制期间以适度的频率发生(表7)，但是在自动控制期间明显不常见。在任何自动控制记录中都未识别出过量发作。

如图23所示(与自动控制相比、最佳手动控制时期的好氧时间的个体配对值；水平条＝中间值；好氧＝SpO₂处于目标范围内或者在处于室内空气中的情况下高于目标范围)，当针对两个手动控制时期中的最佳手动控制时期进行测量时，自动控制的明显益处仍然存在，其中针对最佳手动控制和自动控制，好氧时间范围分别为60(50～72)％和81(76～90)％，其中P<0.001。此外，自动控制与所研究的各个体的较好的SpO₂对准相关联，并且好氧时间的相对改进的范围为2.2％到55％(图23)。

在自动控制时期期间，床边工作人员每小时间进行2.3(1.3～3.4)次至少 1％的FiO₂调整。在自动控制期间，伺服马达频繁地致动做出FiO₂的0.5％的最小改变(整体上为9.9次改变/min)，并且至少1％的测得的FiO₂的改变以每小时 64(49～98)次的频率发生。在处于自动控制中时，在所有20个记录中进行了总共18次手动调整(0.24次调整/h)，与手动控制期间所观察到的手动调整率(2.3/h)相比减少了90％。在4小时记录中，自动控制期间针对个体受试者的手动调整的最大数量为4次(即，1/h)。没有发生严重的系统故障。

针对第一手动记录、第一自动记录和第二手动记录，需氧量的中间值(平均FiO₂)分别为27(25～30)％、27(25～30)％和26(24～31)％。自动记录和任意手动记录之间的需氧量没有差异(P>0.05，Wilcoxon匹配配对测试)。

总之，增强型PID控制器在SpO₂对准方面比常规手动控制显著更有效，期望SpO₂范围内的时间增加了25％。极大地避免了氧合的极端情况，并且几乎消除了低氧和高氧的长时间发作。通过非常少部分的手动吸入氧调整并且与氧暴露类似地实现有效氧控制。

表6.氧饱和度(SpO₂)对准

比较针对手动控制和自动控制的预指定SpO₂范围内的时间比例(占总可用时间的％)。根据两侧时间段对手动控制数据进行池化，中间值(四分位距)*Wiloxon匹配对测试。

表7.低氧发作和高氧发作

比较手动控制和自动控制之间的持续低氧和高氧发作(30秒持续时间和 60秒持续时间)的频率。根据两侧时间段对手动控制数据进行池化。中间值(四分位距)*Wiloxon匹配对测试。

许多修改在不偏离以上参考附图所述的本发明的精神的情况下对于本领域技术人员是显而易见的。

Claims

1.一种用于自动控制吸入氧输送的设备的控制方法，包括：

基于所述输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成控制值；以及

基于所述控制值和参考吸入氧浓度值即rFiO₂值来生成输出吸入氧浓度值即输出FiO₂值，

其中，所述控制值包括：

基于所述输入SpO₂值、所述目标SpO₂值和预测增益系数而生成的预测控制值，

基于所述rFiO₂值来确定所述即刻控制值，以及

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

通过使误差值乘以所述即刻增益系数来生成所述即刻控制值，其中所述误差值与所述输入SpO₂值和所述目标SpO₂值之间的差相关联；

通过使所述误差值的总和或积分乘以所述累积增益系数来生成所述累积控制值；以及

通过使所述误差值的差或导数乘以所述预测增益系数来生成所述预测控制值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括：

确定目标SpO₂范围，其中所述目标SpO₂值在所述目标SpO₂范围内，

其中，在当前输入SpO₂值在所述目标SpO₂范围内的情况下，对所述即刻控制值应用衰减算子，所述衰减算子是基于所述目标SpO₂范围的中点以及所述当前输入SpO₂值而生成的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在当前输入SpO₂值低于所述目标SpO₂值的情况下，与所述当前输入SpO₂值和所述目标SpO₂值之间的差相关联的误差值被限制到选定的最大误差值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括：

修改所述累积控制值以使所述累积控制值限制到选定的最大累积控制值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述输出FiO₂值各自是相应的控制值和相应的rFiO₂值的总和。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述累积控制值包括：

(i)在当前输出FiO₂值处于室内空气水平的情况下、以及(ii)在当前输入SpO₂值高于所述目标SpO₂值的情况下，抑制所述累积控制值的增加。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述输入SpO₂值在SpO₂斜率确定时间段内高于选定的SpO₂阈值，则使所述预测控制值无效。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括：

在rFiO₂评价时间段基于所述输入SpO₂值和相应的输出FiO₂值来生成rFiO₂评价结果；以及

基于所述rFiO₂评价结果来修改所述rFiO₂值。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括：

通过在分层验证过程中将当前输入SpO₂值分类为多个有效性水平其中之一，基于所述当前输入SpO₂值来生成SpO₂验证结果；以及

基于所述SpO₂验证结果来确定所述输出FiO₂值。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括：

接收手动超控输入；以及

基于所述手动超控输入而不是所述控制值来确定所述输出FiO₂值。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述即刻增益系数具有以下的初始值：

-2和-0.2之间的选定值。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述累积增益系数具有以下的初始值：

-0.25和-0.005之间的选定值。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预测增益系数具有以下的初始值：

-2和-0.25之间的选定值。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，基于性能评价结果来修改所述即刻增益系数。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，基于以下中的至少一项来生成所述性能评价结果：

性能分析时间段中的输入SpO₂值处于低氧范围中的低氧持续时间；以及

性能分析时间段中的输入SpO₂值处于高氧范围中的高氧持续时间。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，还包括：

其中，基于以下中的至少一项来生成所述性能评价结果：

性能分析时间段中的输入SpO₂值处于所述目标SpO₂范围中的目标持续时间；以及

性能分析时间段中的输入SpO₂值处于所述目标SpO₂范围中或者在室内空气的情况下高于所述目标SpO₂范围的好氧持续时间。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述即刻增益系数的初始值为-1。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述累积增益系数的初始值为-0.0125。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预测增益系数的初始值为-1。

21.一种用于自动控制吸入氧输送的设备，包括：

输入单元，用于接收表示针对患者的多个输入氧饱和度值即多个输入SpO₂值的信号；

存储器，用于记录所接收到的输入SpO₂值；

控制器，用于基于所述输入SpO₂值来确定输出吸入氧浓度值即输出FiO₂值；以及

输出单元，用于输出所确定的输出FiO₂值，

其中，所述控制器用于进行：

基于所述输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成控制值；以及

其中，所述控制值包括：

基于所述rFiO₂值来确定所述即刻控制值，以及

22.一种用于自动控制吸入氧输送的系统，包括：

控制装置；以及

其中，所述控制装置通过以下操作来控制吸入氧输送：

通过所述网络从所述一个或多个氧饱和度监测装置中的各氧饱和度监测装置，接收表示针对患者的多个输入氧饱和度值即多个输入SpO₂值的信号；

基于所述输入SpO₂值和目标SpO₂值来生成控制值；

基于所述控制值和参考吸入氧浓度值即rFiO₂值来生成输出吸入氧浓度值即输出FiO₂值；以及

通过所述网络将所确定的输出FiO₂值发送至相应的吸入氧控制装置，

所述控制值包括：

基于所述rFiO₂值来确定所述即刻控制值，以及